乙烷催化氧化脱氢制乙烯：多管式反应器设计与催化剂性能比较研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Catalytic oxydehydrogenation of ethane in a shell-and-tube multi-tubular reactor: Design, performance analysis, multi-objective optimization, and a rigorous comparison between selective catalysts for large-scale ethylene production

本综述系统探讨了乙烷催化氧化脱氢（COE）在多管式反应器（MTR）中的工业化应用前景，通过建立严谨的数学模型对比Ni–Nb–O与MoVTeNbO两种催化剂的性能差异。研究采用遗传算法辅助的多目标优化策略，揭示了进料组成、冷却剂温度等关键参数对乙烯选择性和COx副产物的调控机制，为低碳节能的乙烯生产工艺开发提供了理论依据。

　　

章节亮点

工艺方案

如先前研究强调，对高度放热过程（如COE）实现精确温度控制是保证最优选择性的关键。在大型应用中（图1(A)），采用壳管式设计的MTR常被用于此类过程。这些反应器通常可容纳多达30000根小直径管，有助于最小化径向热梯度。

化学反应

本节介绍了COE催化剂的特性、COE过程化学、反应网络和动力学模型。

早期研究指出Ni–Nb–O混合纳米氧化物在COE中具有显著潜力。该催化剂在低反应温度下表现出高催化活性，并具有卓越的选择性，实现了显著的乙烯产率。对该催化剂的详细微观表征将其优异性能归因于独特的表面性质。

对于MoVTeNbO催化剂，实验和理论研究已阐明其活性位点和反应机理。该催化剂在中等温度下表现出高乙烯选择性，但需注意CO_x的形成。

理论

本节概述了计算方法、数学建模、求解方法、模型验证、多目标优化和数据分析方法。

结果与讨论

模型验证、敏感性和统计分析以及过程优化的结果将在各小节中讨论。首先简要讨论模型及其求解的可靠性。然后定量和定性地讨论工艺参数对两种催化剂反应器输出的影响。基于敏感性分析探索安全实用的工艺区域。随后在优化条件下评估COE的WC-MTR操作。

结论

目前，采用低能耗工艺将乙烷转化为乙烯正受到关注。催化氧化脱氢（Oxydehydrogenation）最近已成为一种有前景的替代方案；然而，关于最佳选择性催化剂的选择仍存在争议。Ni–Nb–O和MoVTeNbO催化剂已被提议为最有效的催化剂；但每种催化剂都有其特定的优点。本研究包括在相同框架内对两种催化剂的系统比较。